某壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片切角對(duì)氣動(dòng)性能的影響

高勇強(qiáng) 劉濤

摘 要： 本文對(duì)某壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角前后的氣動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子葉片切角后氣動(dòng)性能下降，前緣切角氣動(dòng)性能降低的最多，尾緣切角氣動(dòng)性能降低的最少;轉(zhuǎn)子葉片氣動(dòng)性能降低的量與前緣切角葉片數(shù)正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子葉片;切角;氣動(dòng)性能;前緣;尾緣

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配、使用過(guò)程中，由于裝運(yùn)損壞、腐蝕、吞冰、異物擊傷等原因，其壓氣機(jī)葉片難免會(huì)造成損傷[1，2，3]。對(duì)于葉尖出現(xiàn)卷邊、缺口、撕裂等現(xiàn)象的轉(zhuǎn)子葉片，通常進(jìn)行切角處理。針對(duì)可能出現(xiàn)葉尖前緣損傷、尾緣損傷、前尾緣損傷的情況，分別需進(jìn)行前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角處理。例如：某轉(zhuǎn)子葉片葉尖前緣被砂石擊傷出現(xiàn)缺口后進(jìn)行前緣切角處理，如下圖1（左—出現(xiàn)缺口的葉片，右—前緣切角后的葉片）。某壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子有20片葉片，葉片高度約50mm，展弦比1.5左右。本文以該轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，斜切量暫定葉片高度的1/10，對(duì)其葉片前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角前后的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算分析。

1 切角后的葉片造型

采用三次樣條插值程序，對(duì)原始葉型葉尖附近截面進(jìn)行插值。

輸入葉片切角起始截面的軸線方向坐標(biāo)X0，高度方向坐標(biāo)Z0，切角與水平方向的夾角α，得到一條直線，該直線沿著±Y軸（Y軸由右手螺旋法則確定）方向拉伸形成切割面，切割面與等Z截面葉型相交求出切角后的葉型（切角處未加圓?。?/p>

葉片切角后為了防止出現(xiàn)應(yīng)力集中、壓氣機(jī)氣動(dòng)性能急劇衰減的現(xiàn)象，一般由鉗工將切角處拋修光滑。葉片建模時(shí)切角處采用加圓弧處理。

最終生成前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角的葉片模型如圖2（從左至右依次為原始葉型，前緣切角后的葉型，尾緣切角后的葉型，前尾緣切角后的葉型）。前緣切角葉型的斜切量為1/10葉高，切角方向與前緣線近似45°夾角;尾緣切角葉型的斜切量為1/10葉高，切角方向與尾緣線近似45°夾角;前尾緣切角葉型中：前緣斜切量為1/20葉高，前緣切角方向與前緣線近似45°夾角，尾緣斜切量為1/20葉高，尾緣切角方向與尾緣線近似45°夾角。

2 單通道計(jì)算

2.1 計(jì)算設(shè)置

單通道計(jì)算可以模擬全部葉片切角前后氣動(dòng)性能的變化。網(wǎng)格劃分采用CFX中Turbogrid模塊，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用H-C-J-L選項(xiàng)。第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)5萬(wàn)左右，其余葉片排每排網(wǎng)格數(shù)5萬(wàn)左右，總網(wǎng)格數(shù)約20萬(wàn)。轉(zhuǎn)子葉尖間隙設(shè)置為0.25mm，靜子葉根間隙設(shè)置為0.25mm。計(jì)算采用k-ε湍流模型，同時(shí)加入人工粘性項(xiàng)。

邊界條件給定如下：進(jìn)口邊界條件給定總壓101325Pa、總溫288.15K、氣流方向角（軸向進(jìn)氣）、第一、二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速）;出口邊界條件給定平均靜壓;壁面邊界條件設(shè)置為絕熱無(wú)滑移條件;交接面設(shè)置為混合平面法。

判斷計(jì)算收斂的準(zhǔn)則：殘差≤10-5;100個(gè)物理時(shí)間步內(nèi)進(jìn)出口流量相差≤0.1%進(jìn)口流量。通過(guò)逐步增加出口被壓，得到壓氣機(jī)從堵點(diǎn)到失速點(diǎn)的特性線。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

采用相同的網(wǎng)格模板、計(jì)算設(shè)置得到全部葉片切角前后特性。全部葉片切角后轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能下降：堵點(diǎn)流量降低0.02%～0.1%，最高壓比降低0.3%～0.9%，最高效率降低0.1～0.2個(gè)百分點(diǎn)，流量裕度降低1.3～2.9個(gè)百分點(diǎn)。流量裕度的計(jì)算公式如下：SM=（1-GS/GC）×100%，式中GS喘點(diǎn)流量，GC堵點(diǎn)流量。

前緣切角氣動(dòng)性能降低的最多，尾緣切角氣動(dòng)性能降低的最少。

葉片切角后，尖部弦長(zhǎng)變短，葉片做功能力下降，流量、壓比降低;葉片尖部前尾緣半徑變大，效率降低[4，5];切角處相對(duì)間隙增加，間隙泄漏加劇，流量裕度降低。與尾緣切角相比，前緣切角后葉尖馬赫數(shù)更高，通道中低速區(qū)更大（如圖3），氣動(dòng)性能降低的更多。

單通道計(jì)算結(jié)果表明：前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角三種情況下，前緣切角對(duì)第一級(jí)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能影響最為顯著。下文對(duì)該轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能影響最為顯著的前緣切角進(jìn)行計(jì)算分析。

3 多通道計(jì)算

3.1 雙通道計(jì)算

雙通道計(jì)算可以模擬10片葉片切角情況下轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的變化。第一級(jí)轉(zhuǎn)子采用雙通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約10萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)約25萬(wàn)，其余設(shè)置與第2.1節(jié)相同。

采用相同的網(wǎng)格模板、計(jì)算設(shè)置得到10片葉片前緣切角前后轉(zhuǎn)子的特性。10片葉片前緣切角后轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能下降，堵點(diǎn)流量降低0.02%，最高壓比降低0.4%，最高效率降低0.1個(gè)百分點(diǎn)，流量裕度降低1.4個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 四通道計(jì)算

四通道計(jì)算可以模擬第一級(jí)轉(zhuǎn)子5片葉片切角情況下轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的變化。第一級(jí)轉(zhuǎn)子選取4個(gè)通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約20萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)約35萬(wàn)，其余設(shè)置與第2.1節(jié)相同。

采用相同的網(wǎng)格模板、計(jì)算設(shè)置得到5片葉片前緣切角前后轉(zhuǎn)子的特性。5片葉片前緣切角后轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能下降，堵點(diǎn)流量降低0.02%，最高壓比降低0.3%，最高效率不變，流量裕度降低0.7個(gè)百分點(diǎn)。

3.3 十通道計(jì)算

十通道計(jì)算可以模擬第一級(jí)轉(zhuǎn)子2片葉片切角情況下氣動(dòng)性能的變化。第一級(jí)轉(zhuǎn)子選取10個(gè)通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約50萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)約65萬(wàn)，其余設(shè)置與第2.1節(jié)相同。

采用相同的網(wǎng)格模板、計(jì)算設(shè)置得到2片葉片前緣切角前后轉(zhuǎn)子的特性。2片葉片前緣切角后氣動(dòng)性能輕微下降，堵點(diǎn)流量降低0.02%，最高壓比不變，最高效率不變，流量裕度不變。

3.4前緣切角葉片數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能的影響

隨著前緣切角葉片數(shù)的增加，壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能的降低逐步加劇，第一級(jí)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能降低的量與切角葉片數(shù)正相關(guān)（如下圖4）。

4 結(jié)論

本文對(duì)某壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片前緣切角1/10葉高、尾緣切角1/10葉高、前尾緣切角共1/10葉高前后的氣動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明：

（1）全部葉片切角后第一級(jí)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能下降，前緣切角氣動(dòng)性能降低的最多，尾緣切角氣動(dòng)性能降低的最少。

（2）第一級(jí)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能降低的量與前緣切角葉片數(shù)正相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

高勇強(qiáng)（1988—），男，漢族，河南漯河人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。